탄소

탄소(CAS 7440-44-0)는 비금속 원소로, 흑연(검정색, 불투명한 결정성 고체), 다이아몬드(무색, 투명하고 극도로 단단한 결정), 무정형 탄소(갈색-흑색 분말) 등 여러 동소체 형태로 존재한다. 이 모든 형태는 냄새가 없고 휘발성이 없으며, 명확히 정의된 끓는점이 없고 3600 °C 이상에서 승화한다. 탄소는 기본적인 원소 물질로 분류되며, 유기 화학의 골격을 이룬다. 탄소는 직접 반응물로 사용되지는 않으나, 합성 고분자, 탄소 기반 전극, 활성탄 흡착제, 고무 및 복합재료의 보강 충전제를 포함한 수많은 화학 제품의 핵심 원료이자 구조적 기반이 된다. 주요 산업 응용 분야는 고분자 제조, 배터리 기술, 제련용 환원제, 그리고 강철 생산, 흑연 전극, 타이어 및 잉크용 카본 블랙의 주성분으로 확장된다.


탄소(C)는 모든 생물체에 존재하며, 살아 있는 세포의 주요 구성 성분을 이룬다. 식물과 동물에게 필수적인 원소인 탄소는 광합성 과정에서 식물과 광자영 미생물에 의해 대기 중 이산화탄소로부터 흡수된다. 탄소는 자연계에서 원소 형태뿐 아니라 화합물 형태로도 존재한다. 예를 들어, 석탄은 원소 형태의 탄소를 함유하고 있으며, 공기 없이 가열하면 휘발성 물질을 잃고 코크스를 생성한다. 석탄과 코크스 모두 비결정형(무정형) 탄소의 형태이다. 탄소의 두 가지 결정형은 다이아몬드와 흑연으로, 이 둘은 탄소의 두 가지 동소체(allotrope)라고 불린다. 동소체란 같은 원소가 서로 다른 물리적 형태로 존재하며, 그 기본 단위의 결합 방식이나 분자 구조가 서로 다른 두 가지 이상의 형태를 말한다. 탄소는 모든 생물체 내에서는 결합 상태로 존재하며, 메탄 및 석유와 같은 화석 연료에도 결합 상태로 존재한다. 또한 석회석과 같은 탄산염 광물에도 다량으로 존재한다. 탄소는 비금속 원소로서 주기율표 14족(예전에는 IV족)의 맨 위에 위치한다. 탄소는 자신이 형성하는 화합물의 다양성과 복잡성 면에서 독보적이며, 이는 탄소 원자가 긴 사슬, 고리, 또는 고리와 사슬의 조합 형태로 서로 결합할 수 있는 능력에 기인한다. 탄소는 수소(H), 산소(O), 질소(N), 황(S) 및 기타 원소들과 결합하여 매우 다양한 화합물을 생성하며, 이 때문에 탄소 화합물을 전문으로 다루는 화학의 한 분야인 유기화학이 따로 발달하게 되었다. 원소 형태의 탄소는 비교적 관성 물질이며, 물, 희석된 산 및 염기, 그리고 유기 용매에 모두 불용성이다. 각 탄소 원자는 4개의 가전자 전자를 가지며, 이들은 다른 원자들과 공유 결합을 형성하기 위해 일반적으로 4개의 공유 결합을 만든다. 탄소는 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO₂)라는 두 가지 산화물을 형성하는데, 이는 탄소 또는 탄소 함유 화합물이 공기 부족 상태 또는 과잉 상태에서 연소될 때 각각 생성된다. 원소 형태의 탄소는 여러 용도로 사용되는데, 예를 들어 보석류의 장식재로 쓰이는 다이아몬드, 자동차 타이어 및 인쇄 잉크의 검정색 안료로 사용되는 카본 블랙 등이 있다. 흑연은 또 다른 탄소 형태로, 고온 크루시블, 아크 램프, 건전지 전극, 연필심, 윤활제 등으로 사용된다. 활성탄은 무정형 탄소의 일종으로, 기체 흡착제 및 탈색제로 사용된다.

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